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人类文明的进步,与材料技术的进步总是相辅相成的,包括美俄在内的欧美国家,在工业革命之后取得了物质文明的巨大进步,这与能源和金属材料的技术突飞猛进密不可分,可以说整个西方文明的霸权就建立在化石能源和金属材料之上。比如大量开采的炼焦煤促进了钢铁工业,大量优质钢铁装备又开采更多的化石能源和金属矿产,并营造出强大的电力工业,进而有了武器工业和航空工业所需的大量轻金属和高温合金的制备。最初接触西方的国人,对其最深刻的印象就是“坚船利炮”,可以说,从鸦片战争开始的好几代中国人,都被这种配备了强大金属材料的西方文明完全打懵了。

金属材料固然坚强,但却也有不少弱点,比如材料密度普遍偏高,不耐化学腐蚀等等。在化石能源大扩张的年代,这些弱点未得到足够重视,以致包括美俄在内的整个欧美社会,在结构材料技术上都长期依赖金属,军事体制也围着“重金属部队”团团转。“石油危机”爆发后,这种倚重金属为主要武器结构材料的军事模式就开始露馅了。

首先是金属材料普遍笨重,这使到武器载具的机动性、续航能力、运载能力和通过能力都受到极大限制,在以往的海洋作战和平原作战中这些问题被大量补给的化石能源所掩盖,但在稍微复杂一点的地形和气象条件中就悲剧了。其次是金属材料的耐腐蚀性不足,这在中低纬度气温较高的区域尤其明显,这产生了极大的维修保养和备件运输成本。还有现代包括雷达在内的各种传感器技术飞速发展,金属材料又恰恰是最容易被探测的。

所以任兄提出的观点很有代表性,也给大家一个反思“以金为主”的文明和军事模式是否可持续的机缘,武器的结构材料,是否就一定要吊死在纯粹是金属材料这颗树上呢?

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中国古代的物质世界的认识讲究“五行”,材料技术中,金木土皆各有长短,不可偏胜偏失。虽然,金属材料的进步往往是技术革命的先导,但技术史上的先例表明,耗费大量能源来提炼加工的金属材料的发展,到了一定程度就会“后劲不足”,而材料技术的进步就开始呈现金木土齐头并进局面。

工业革命以来的西方文明,材料技术上长期偏重于金属,故此整个社会金多木少,人体内“五行”偏胜偏失,尚且致病,一个社会文明模式,“有金无木”岂有不病之理。西方文明的弊病,也很大程度上也与金多木少有关,整个文明模式刚强有余,柔韧不足,军事上也是这样,阿富汗战争,叙利亚内战和伊拉克战争,被几个回回玩得团团转。

所以人类物质文明,特别是材料技术的进步,今后必然是在现有金属材料的基础之上,向融入更多非金属材料的方向发展,以扭转现在金多木少的弊病。在材料技术上,相当于“木”这个范畴的,个人认为是以有机物质为主的各种复合材料技术,以及以制造有机物质为主的化工技术。

所以,“木”做飞机绝不是什么空想,任兄上面提到的“模压胶合成型木结构”,也正是今天的层压板复合材料成型技术的雏形。

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其实先进国家的军工部门,也一早就意识到纯粹使用金属材料的弊端,只是因为以前化工技术所能生产的复合材料基材在性能上未达到要求,所以未能大规模使用,比如F15最初量产时,复合材料也只占其结构重量的1%。

也就是说,复合材料的军工应用,实际上是与化工技术的进步相同步的,而化工技术的进步又与化工原料密切相关,60年代以前,世界有机化学工业主要依赖传统的煤炭-电石和炼焦生产,60年代大规模引入石油化工生产,有机化学工业的产量和质量才开始腾飞。

于是才有了复合材料在军工上的大规模运用,但由于有机化学工业的起飞比工业革命整整晚一百多年,很多基础性的问题还处于探索阶段,新兴的煤炭天然气原料技术以及先进生物化工等等才刚起步,所以复合材料无论是基材制备,还是加工成型,都有很多可改进之处,发达国家尚且如此,我国就更有“弯道超车”的空间。

传统的冶金工业和金属加工,发达国家从工业革命以前就开始技术积累,人才和人工素质方面我们很难一时追上,但有机化工的兴起,由于开始时是基于依赖欧洲以外的化石能源,所以起飞时间较晚,因而复合材料的基材制备和加工成型技术也就更晚才起步,于是我国在这些方面的差距也就少很多。

当然这里不是说我国的复合材料技术就如何如何牛B,只是说很多东西大家都在摸索,前面的路还长着呢。

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也正如任兄在一楼中提到,复合材料质量轻,隐身功能强,加工成型也正向低成本大批量的方向发展,因此在未来军事技术中将扮演举足轻重的角色,甚至成为未来国际形势发展的其中一个游戏规则改变者。

以下分几个部分细述。

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本帖最后由 天生桥 于 2016-1-29 18:53 编辑

武器和载具的结构材料轻量化,好处多多,先从高大上的地方说起吧,虽然碳纤增强的环氧树脂复合材料早在军备竞赛的年代就崭露头角,但在运载火箭和洲际导弹的结构材料中,金属还是占很大部分,导弹的发射架发射筒和机动导弹发射车中,金属材料的比例更大。试想一下,如果复合材料在以上这些领域占大头的话,原先笨重的战略导弹力量,就会变得更加灵活机动,复合材料的减震性能有助于适应更多的路面,而且能在发射车上挂载更多的伪装设施。

洲际导弹弹体结构重量的下降,有极大的战略意义,即便在火箭发动机推力增长止步不前的假设前提下,也能使导弹射程大幅增加。比如说我国的机动战略力量,可以部署到更加纵深的西部西南部山区,利用西部山地众多的公路铁路隧道和导洞群落体系,在实现更高生存能力的同时,依然能确保射程完全覆盖敌方本土。

战略导弹部署在西部纵深的另一大好处是:导弹的发射上升阶段大部分在亚洲内陆完成,当到达蒙古和东北上空时,导弹的高度已经超出敌方海基反导系统的拦截高度,这样可以大大降低敌方进行初段拦截的效率。

另外,导弹弹体结构重量的下降也意味着打击载荷的增加,这意味着打击载荷的攻击方式可以多样化,比如更多的分弹头,又比如需要在再入段进行滑翔的HTV等等。

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不单是战略力量,在步兵武器这样细微的领域,复合材料也有极大的发展空间,火器时代以来,大部分武器和载具都金属材料化,步兵重装化,机械化,轻装步兵拿着几杆破枪很难和机械化部队抗衡。但如果步兵重武器、防弹衣、头盔、装具等都用大量应用轻质复合材料的话,轻装步兵的重武器偕行能力和打击能力将大大提高,轻装步兵地形通过能力强的优势又重新显现。而重装机械化部队和直升机,就好比波斯战车和同时代的波斯骑兵一样,一旦到了多山和复杂的地形,就被马其顿步兵阵型抓住其弱点加以击破。

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但有机化合物和复合材料最厉害的应用还是在隐身材料和伪装领域,无论是用于可见光隐身的迷彩涂料,还是雷达和红外隐身用的伪装网、伪装毯,主要的溶剂和结构材料都是有机化合物。飞机和军舰虽然不能像地面车辆那样披着伪装网、伪装毯跑来跑去,但可以使用隐身涂层和结构隐身材料。用于飞机和军舰的隐身涂层,受制于机动性能和重量的要求,不能像伪装毯那样厚重,因此近年来结构隐身材料开始大行其道。

由于复合材料的制造成型工艺与金属完全不同,所以在复合材料中添加隐身材料和隐身结构比金属容易的多,这种既承受结构重力,又具有强大隐身功能的武器结构材料,将完全改变日后的战场形势,结构隐身材料就好比“信息时代的装甲”,谁拥有“信息装甲”越多,就越能克制敌方的“传感器火力”,就像钢铁装甲克制热兵器火力一样。

这里举潜艇的隐身材料加以说明一下,早在二战末期,德国就利用橡胶复合材料制造消声瓦降低盟军声呐的作战效能,二战后各潜艇大国更是发展出不同系列的橡胶和树脂消声材料来减小潜艇的内外噪声。现在美俄两国一线潜艇的噪声级别,已经降到三级海况的海洋背景噪声以下,被动声呐已经无法发现这类潜艇,而主动声呐声波又被潜艇消声瓦大量吸收,作用距离锐减,因此迫使主动声呐向大型阵列化发展。现在的探潜阵列声呐,其阵列面积已经达到昂贵的海洋探油地质声呐的程度,以致于有搞海洋地质的朋友建议在反潜声呐的分析软件里加个地层分析套件,说不定在找潜艇的同时能找到不少石油。

但即便如此,潜艇依然有反制手段,比如完全使用玻璃钢和消声树脂的复合结构来代替“钢耐压壳+消声瓦”作为潜艇的基础结构材料,这等于给潜艇直接装结构隐身材料,而消声瓦就好比飞机的雷达吸波涂层那样,被吸波功能更强的结构吸波材料替代掉,这样的潜艇不但实现声隐身,而且还实现结构无磁化,连固定翼反潜飞机也难于磁探了。

复合材料除了改进潜艇的结构系统外,连许多功能系统的隐身性能也会有大幅改进,比如潜望镜改用雷达吸波材料,螺旋桨和推进轴改用耐腐蚀和加工性能优越的复合材料来降低动力噪音,以及动力系统橡胶减震筏的大量应用等等。

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如果日后连第三世界国家的潜艇(包括向大国购买),都实现了低于三级海况的海洋背景噪声这样的性能,那么海洋作战,特别是像地中海、加勒比海和西太平洋西南太平洋岛链地带这样的多岛复杂海区的海战模式,将会完全被颠覆,因为当水面舰艇被来自空中和地面的打击被克制的情况下,潜艇就成为唯一能生存下来的海上力量,在这些海区的作战中,各国海军除了不断增加潜艇来弥补水面舰艇的损失以外,别无办法,于是海战变成潜艇战了。

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说了这么多复合材料的好处,就不得不说说制造复合材料的工业基础-----化学工业,复合材料从制备基材的原料,到加工成型过程中必需的各类助剂试剂,几乎全部是化工产品(集成电路产业对各类助剂试剂的依赖也是这样),其中又以有机化工产品最为重要。高分子有机化合物的在形态上大体分两大类型------直链型脂肪族和碳环型芳香族,由于历史的原因,有机化工开始时大宗产品多为直链型脂肪族,后来碳环型芳香族产品在性能上的优势逐渐被人们认知,现在稍上点档次的有机化工产品都含有芳香环(比如特种工程塑料,几乎全部品种都含芳香环),而制备这些含芳香环的化工产品所需的单体,正是芳香族苯和对二甲苯类化合物,也就是大家所耳熟的PX。

所以发达国家忽悠我们放弃化工产业,这实际上是很虚伪的,他们自己是怎么做的呢,我举欧洲其中一个最“环保”的荷兰为例,80年代其塑料产量不过一百万吨左右,而现在荷兰的塑料产量已经超过七百万吨,如果你说这也叫去工业化真是鬼才信,而且像荷兰这样的“高端国家”,总不至于去扎堆大量生产聚乙烯这类大路货吧,其产业肯定是向工程塑料方向靠的,你说他们每年得用多少PX呢?

现在PX的生产主要依赖石油化工,原料数量有限,所以各国科研人员都积极研究用其他化石能源生产PX的途径,煤炭中的碳环型芳香族化合物含量远远高于石油和天然气,所以煤炭直接液化生产的粗制油中含芳香环化合物极多,神华百万吨煤炭直接液化项目,除生产燃料以外,每年都副产PX类化工产品十几万吨,所以发达国家黑我们的沿海PX项目也许是件“好事”,这会倒逼中国用煤制油联产PX的方式来解决问题,最终结果是中国的能源自给化和化工原料自给化。

煤制PX——>PTA + 煤制乙二醇 = 煤制涤纶 ,再加上其他煤制烯烃和化工原料所生产的化纤,棉花在纺织工业中的地位将大大下降,棉花大田灌溉用水将锐减,仅此一项就可以完全颠覆黄淮流域和新疆的农业灌溉用水结构。

煤制化工原料的另一大农业替代是在橡胶领域,用煤制化工原料制造非石油基合成橡胶,不但大大降低中国的橡胶原料对外依存度,还降低了沿海地区石油基合成橡胶企业所产生的工业污染。

顺便说一下,中国的煤炭储量中大部分是适宜于搞碳一化工的低阶煤(低阶煤的碳含量相对低,氢氧含量相对高,与欧美国家煤炭储量的煤阶特征刚好相反),所以中国化工产业未来的“主粮”必然是煤炭而不是石油。

另外,为减少环境污染而逐步关停直接燃煤电厂也对碳一化工构成利好,一方面碳一化工的原料煤价格下降,另一方面新增的清洁发电厂也会更多使用碳一化工生产的甲醇和二甲醚作为燃料。

也就是说,未来中国的化石能源可以更多投入化工领域,直接燃烧的化石能源将逐步减少,乃至向完全消除化石能源直接燃烧的目标迈进,这是符合世界潮流的。

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有了各种基础原料和助剂试剂,就有了大规模生产复合材料的基本工业基础,但还有加工成型这关要过,前面说过复合材料的成型工艺与金属是完全不同的,加工和维护的方法以及质量保证体系技术也正在层出不穷不断改进之中,很多复杂形状的复合材料构件的生产未实现完全自动化,这也是事实,即便像欧美这样的高端军工,用手糊生产高级飞机部件也不是少见的事情。


所以大家都要在加工成型技术上多多努力。

如果是一些性能要求不太高大上的复合材料构件,倒是可以参考工程塑料及其衍生复合材料的加工成型方法,这类加工工艺的特点是能耗低,产量大,而且加工机械操作简单,不需像德国日本那样花大价钱培训几代人的金属技工,而且由于塑料的成型特点,有利于整体成型,而不像金属那样需要大量的不同部件和装配/连接流程,于是有机会实现任兄所期望的“白菜化”生产。

另外,由于复合材料成型工艺的低能耗特点,不需大型的金属加工厂和大型电力能源设施来支持生产,有利于武器生产的隐蔽,甚至在地下和洞库设施中,也能在储存大量基材原料和助剂试剂的基础上进行武器的生产,这对于在敌方空中优势打击下的军工生产可持续性,是非常有意义的。

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回复 17# renfeng


    从技术史的角度看,所谓高大上的东西都是在某一时期的某一技术条件下定义的,比如西亚战车时代的初期,战车基本上都是笨重的实心木轮,这是从红铜时代继承过来的技术条件,在那个时代已经很“高大上”了,但进入青铜时代之后,工具的进步使到北方游牧民族能发展出轮辐马车,比起实心木轮车既省材料,又轻便坚固,巴比伦和埃及都被高原下来的游牧民族打的满地找牙。

现代也是这样,如果从煤炭时代的技术条件去考察武器,那战列舰无疑是最“高大上”,结果呢,被几个小飞机干掉,那几个小飞机可真叫白菜价。

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现在是石油时代的末期,有些武器系统真的就像战列舰那样走向了“高大上”的牛角尖,空军飞机动辄十亿一架,如此劳民伤财,肯定要栽跟头的。

相反,从新的技术条件去评估和考量武器系统的整体制造和应用,说不定会有惊喜的效果。

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回复 21# 米格31

对于那个帖子,实在惭愧,新兵甲兄是论坛里公认的朝鲜问题专家,他要是不在那个帖子里回复,我也就不敢献丑了,对于新兵甲兄,我是欠他一分人情的,你也应该知道,谩骂他的那个人实际上是冲我来的,新兵甲兄对我的帮助此生难忘,希望他能回到论坛和大家讨论,特别是象朝鲜这样热门的话题。
   
对于山地战我有一些肤浅的认识,可以和你交流一下,或者在你那个自卫还击战战场环境的帖子里也可以,又或者在任兄关于阿富汗战争的帖子中。

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